基于时间反转加权分布的复合材料Lamb波损伤成像

超声Lamb波是检测板状结构损伤的常用方法,然而碳纤维增强聚合物基复合材料（Carbon Fiber ReinforcedPlastics,CFRP）本身的各向异性会对Lamb波的损伤成像和定位造成很大的影响。且大多数检测方法均采用健康结构的检测信号作为参考信号,用差信号的方法来实现损伤成像,该过程容易受到待测结构和实验环境变化等外界因素的影响。针对该问题,采用时间反转和加权分布成像相结合的方法,将其应用在复合材料板状结构的Lamb波损伤检测和成像中。仿真结果表明,该方法能够有效地实现板中单源脱层损伤和多源脱层损伤的二维成像与定位,且具有较高的精度和准确性。     

基于Shannon 复数小波的复合材料结构时间反转聚焦多损伤成像方法

研究了一种基于压电传感器阵列和主动Lamb 波的结构损伤成像方法,有助于克服Lamb 波在板结构中、特别是在复合材料板结构中存在的频散、多种模式及模式转换的现象给结构健康监测带来的困难。分析了结构多损伤散射信号的时间反转聚焦原理,在此基础上提出了一种基于Shannon 复数小波和时间反转聚焦的信号合成成像方法。该方法中,确定Lamb 波响应信号的到达时刻是信号能够准确聚焦的关键因素之一。提出了利用Shannon 复数小波变换计算Lamb 波响应信号到达时刻的方法。在碳纤维复合材料板结构上对整套信号合成成像方法进行了验证。研究结果表明,该方法能够有效地对同一个监测区域中的多个损伤进行成像定位。相对于30 cm ×30 cm 的监测区域,定位误差不超过2 cm。该方法有助于结构健康监测技术的工程应用。      

基于经验模态分解和相关系数对玻璃纤维增强聚合物复合材料板的损伤识别及扫查成像

针对外界环境噪声等因素造成损伤因子不敏感，导致复合材料损伤识别困难和成像误差大等问题，提出了一种基于经验模态分解（Empirical mode decomposition, EMD）和相关系数的损伤因子。用空气耦合探头采集损伤前后的Lamb波信号进行EMD分解获取多个本征模态分量（Intrinsic mode function, IMF）。根据相关系数获取与信号相关性最大的IMF分量，并定义其能量值的相对变化为损伤因子。在模拟噪声环境前后，分别对玻璃纤维增强聚合物复合材料（GFRP）板中的分层缺陷进行识别和扫查成像，验证了该损伤因子的有效性。结果表明:信号经过EMD分解后，与其相关性最大的IMF分量对损伤最敏感，能够定义为识别损伤的损伤因子。将该损伤因子结合概率成像方法进行空耦Lamb波扫查，不仅能够有效对复合材料中的缺陷进行成像，而且在模拟强噪声环境中具有良好的抗噪性。      

基于多维阵列和空间滤波器的损伤无波速成像定位方法

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,基于压电传感器（PZTs）阵列和Lamb波的结构健康监测成像方法已经成为复合材料结构健康监测技术的研究热点,但是复合材料的各向异性特点导致依赖于信号传播速度的延迟-累加、相控阵等成像方法难以实现其损伤的准确监测。鉴于此,研究了一种与信号传播速度无关的空间滤波器损伤成像定位方法,该方法利用Lamb波在结构中传播时的空间-波数域特征,通过设置空间权重函数使压电传感器阵列形成波数带宽为[k_min,k_max]的空间-波数域滤波器对特定空间方位的Lamb波进行滤波,得到损伤的角度图像; 然后,利用多维线性压电传感器阵列各自针对损伤得到的角度图像进行融合,得到损伤的坐标图像,从而实现了在不依赖传播速度的情况下对损伤的成像定位。在碳纤维层合板上对该方法进行了实验验证。实验结果表明：基于多维线性压电传感器阵列和空间-波数域滤波算法的无波速成像定位方法可以对复合材料结构损伤进行不依赖信号传播速度的成像定位,定位误差在1 cm以内。     

板状结构中基于Lamb波单模态的缺陷成像试验研究

Lamb波技术非常适于板类结构的各种缺陷检测。为了得到模态较为单一的Lamb波,使得接收信号更具有解释性,缺陷更容易识别,该文中在板上下表面的相同位置分别布置压电传感器阵列,采用同一位置上下表面的双压电片同相或反相激励,激励出单一S₀或A₀模态。运用这种单模态的Lamb波激励方式对板中缺陷进行检测,结合椭圆成像算法与数据融合方法对压电传感器阵列接收到的多组信号进行缺陷成像。该方法有效的实现了板中缺陷的二维成像定位,检测出人工缺陷,并提高了缺陷的可识别能力和定位精度。     

基于概率损伤算法的复合材料板空气耦合Lamb波扫描成像

采用非接触空耦传感器在准各向同性复合材料板中激励出单一的Lamb波模态,用于分层缺陷的扫描检测。扫描时,激励和接收传感器置于复合材料板同侧并相对倾斜布置,传感器沿2个正交方向同步线性扫描,得到不同位置的检测信号。对不同扫描路径下的检测信号进行连续小波变换,提取激励频率下的小波系数包络信号,对分层缺陷进行成像。在此基础上,利用概率损伤算法定义损伤指数,结合不同方向的损伤指数实现分层缺陷成像。采用全加法和全乘法对2个正交扫描方向得到的成像结果进行数据融合,实现了分层缺陷的定位和重构。并在成像算法中引入阈值,进一步提高了分层缺陷的定位精度以及重构质量。     

基于改进空间滤波器的复合材料结构损伤成像方法

为降低Lamb波在复合材料结构中传播时存在的频散现象和各方向传播特性的不一致性给损伤监测带来的困难, 提出一种利用Hilbert变换改进的空间滤波器对复合材料结构损伤进行成像的方法。分析了基于空间滤波器的信号合成成像原理, 在此基础上利用Hilbert变换构造传感器时域响应信号的解析信号参与到信号合成成像过程中。通过对仿真声源的成像实验, 验证了该方法的可行性, 通过对碳纤维复合材料板结构上激励源和损伤的成像实验, 验证了该方法的功能。研究表明该方法能够识别损伤相对于压电传感器阵列的角度位置和损伤散射信号的到达时刻。      

基于相移光纤光栅传感器的碳纤维增强树脂复合材料基体裂纹超声探伤

复合材料内部的微小裂纹常会引起后续严重的破坏,因此需要对其进行检测。然而超声探伤复合材料基体裂纹非常困难。本文搭建了一个具有高灵敏度、大带宽的相移光纤光栅超声传感系统,利用此系统探测了在正交铺层碳纤维增强树脂复合材料板中传播的Lamb波。对Lamb波进行数据处理发现,随着三点弯曲实验产生的基体裂纹个数增加,Lamb波的幅值和频谱峰值线性减少。通过和传统压电传感器比较表明,相移光纤光栅传感器测得的Lamb波信号随复合材料基体裂纹数的增加其幅值具有更高的下降速率,表明相移光纤光栅传感器更适合于复合材料基体裂纹的超声探伤。研究表明,新开发的传感系统能够探测到中心频率为300 kHz的微弱超声信号,并能够对碳纤维增强树脂复合材料板中微小基体裂纹个数进行精确评估。      

基于小波包能量比变化率偏差的复合材料层板空气耦合超声概率损伤成像

传统椭圆概率损伤成像使用信号幅值差或能量差作为特征参量,对损伤识别不够敏感且抗噪性能较差。为提高损伤识别的敏感程度,提出采用小波包能量比变化率偏差(Energy relative variation deviation,ERVD)作为损伤因子。选取合适的探头入射倾斜角度,使用空气耦合超声探头在复合材料层板中激励单一的Lamb波模态,对采集的扫查信号进行小波包分解,根据结构损伤前后的信号特征变化选取特征频带,计算损伤指数进行椭圆概率损伤成像,并模拟不同噪声环境对比不同损伤因子的成像效果差异。实验结果表明,选取小波包能量比变化率偏差作为损伤因子,具有较强的损伤识别敏感性和抗噪性能。使用此损伤因子进行空气耦合超声概率损伤成像,可提高复合材料损伤的定位和成像效果。      

基于概率成像的复合材料加筋壁板冲击损伤监测

基于压电传感器的Lamb波损伤成像方法已广泛用于复合材料结构的损伤识别与定位中,但由传感器网络布置所带来的成像背景会影响损伤成像效果,降低损伤定位精度.针对这一问题研究了损伤概率成像优化方法,假设各激励-传感通道损伤因子一致得到成像背景,通过抑制成像背景来对复合材料加筋壁板结构进行冲击损伤监测.成像结果表明,该优化方法相比于未抑制成像背景的概率成像算法,其成像最大概率点像素值与损伤中心点对应的像素值相对差值降低了约10%,同时冲击损伤的定位精度相比优化前提高了约2mm.     

Structural Health Monitoring Using Lamb Wave Reflections and Total Focusing Method for Image Reconstruction

This investigation aimed to adapt the total focusing method (TFM) algorithm (originated from the synthetic aperture focusing technique in digital signal processing) to accommodate a circular array of piezoelectric sensors (PZT) and characterise defects using guided wave signals for the development of a structural health monitoring system. This research presents the initial results of a broader study focusing on the development of a structural health monitoring (SHM) guided wave system for advance carbon fibre reinforced plastic (CFRP) composite materials. The current material investigated was an isotropic (aluminium) square plate with 16 transducers operating successively as emitter or sensor in pitch and catch configuration enabling the collection of 240 signals per assessment. The Lamb wave signals collected were tuned on the symmetric fundamental mode with a wavelength of 17 mm, by setting the excitation frequency to 300 kHz. The initial condition for the imaging system, such as wave speed and transducer position, were determined with post processing of the baseline signals through a method involving the identification of the waves reflected from the free edge of the plate. The imaging algorithm was adapted to accommodate multiple transmitting transducers in random positions. A circular defect of 10 mm in diameter was drilled in the plate, which is similar to the delamination size introduced by a low velocity impact event in a composite plate. Images were obtained by applying the TFM to the baseline signals, Test 1 data (corresponding to the signals obtained after introduction of the defect) and to the data derived from the subtraction of the baseline to the Test 1 signals. The result shows that despite the damage diameter being 40 % smaller than the wavelength, the image (of the subtracted baseline data) demonstrated that the system can locate where the waves were reflected from the defect boundary. In other words, the contour of the damaged area was highlighted enabling its size and position to be determined.     

Delamination detection in composites through guided wave field image processing

This study explores the feasibility of using a non-contact guided wave imaging system to detect hidden delamination in multi-layer composites. The study is conducted in two phases. In the first phase, Lamb waves are excited by a lead (Pb) Zirconate Titanate transducer (PZT) mounted on the surface of a composite plate, and the out-of-plane velocity field is measured using a one-dimensional (1D) scanning laser Doppler vibrometer (LDV). From the scanned time signals, wavefield images are constructed and processed to study the interaction of Lamb waves with delamination. The paper presents additional signal and image processing techniques used to highlight the defect in the scanned area. The techniques are demonstrated using experimental data collected from a 1.8 mm thick multi-layer composite. In the second phase, a completely non-contact system is described to excite and measure guided waves. A modulated continuous wave (CW) laser source in conjunction with a photodiode is used to wirelessly excite an attached PZT and the resulting waves are again sensed using the vibrometer. The non-contact system is used to excite and measure elastic waves in a composite channel test article. The elastic wave propagation image sequences are created from the non-contact excitation system.     

CSM在基于Lamb波的结构损伤检测中的应用

在基于Lamb波的结构损伤检测中往往不可避免地遇到结构中多个损伤引起的反射波信号相干问题而对检测精度造成影响。考虑到阵列信号处理中的空间谱估计可以对信号源进行辨别和定位,尤其是在信号的波达方向(Direction of Arrival, DOA)估计上的优越性,将其应用于基于Lamb波的结构损伤检测中以获得准确的结构损伤信息。于是,该文采用空间谱估计中相干信号子空间方法(Coherent Signal Subspace Method, CSM)解决了相干信号问题。以一个损伤结构的仿真分析为例,验证了CSM方法在基于Lamb波的结构损伤检测中处理相干信号的可行性。结果表明,无论是结构损伤和边界反射引起的信号相干或两个结构损伤引起的信号相干,依然可以通过该方法获得准确的结构损伤信息。